天然气核磁共振测井技术的探讨与应用前景

李强，陈子亮

（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074）

1 核磁共振测井发展

现代NMR测井的发展可以追溯到1978年在Los Alamos国家实验室开展的NMR井眼测井研究项目。该项目的部分目标是制造和测试一种在井眼中使用的NMR测井仪，它能克服NML仪的局限性。Los Alamos试验仪器使用的是强永久磁铁，正如那些在现代实验室的NMR仪器一样，进行了脉冲NMR自旋回波测量。这些测量结果极其灵活，可适用于许多不同的地层评价。Los Alamos实验室仪器证明了NMR测井的可行性，但由于其信噪比（S／N）太低，而且磁铁和射频（RF）线圈的设计产生很大的井眼信号而无法满足商用需求。可行性论证后不久，1983年成立的Numar公司和斯伦贝谢公司开始了独立的研究，试图设计NMR磁铁和RF天线，从而满足商用NMR测井需求。

2 核磁共振测井原理

2.1 核磁共振测井应用基本原理

核磁共振（NMR）具有信息丰富、测量信号不受固体骨架的影响、观测范围具有可选性等特点。是将所采集到储层岩心样品置入一个静磁场及一个振荡磁场中，当具有一定孔隙度、渗透率及含油饱和度（或含水饱和度）的岩心中的油或水中的氢原子核被激发后吸收能量，满足共振条件时，产生核磁共振现象。

总体来说核磁共振是磁场中的原子核对电磁波的一种响应［2］，处于热平衡的自旋系统，在外磁场的作用下磁化矢量偏离静磁场方向，外磁场作用完后，磁化矢量试图从非平衡状态恢复到平衡状态，恢复到平衡态的过程叫做驰豫。核磁共振NMR信号的驰豫时间与氢核所处的周围环境密切相关，水的纵向恢复时间比烃快得多。根据核磁共振特性间的差异指示含氢密度的高低来识别油气层。

2.2 核磁共振测井参数测量原理与方法

（1）T2截止值的选取。核磁共振测井可以精确计算许多地质参数，主要包括地层总孔隙度、有效孔隙度、粘土束缚水饱和度、毛管束缚水饱和度、中值孔喉半径、含水饱和度、含油饱和度、储层绝对渗透率等参数。在此我们主要对孔隙度对应的相关参数进行计算研究。利用T2谱分析计算储层束缚水孔隙度和可动流体孔隙度时，准确的T2截止值是正确计算这些参数的前提。T2截止值的确定主要通过实验室获得，不同岩性和孔隙结构的岩石数值不同。在砂泥岩地层，T2截止值一般为33，在碳酸盐岩地层为98。一般在不同的研究区域，进行岩心实验测量，可以较为准确的确定T2截止值参数。确定T2的常用方法是，对离心前后的T2谱分别作累积线，从离心后的T2谱累积线最大值处作X轴平行线，与离心前的T2谱累积线相交，由交点引垂线到X轴，其对应的值为T2，如图1所示。

图1 T2截止值求取方法示意图

（2）储层孔隙度计算模型。核磁共振测井详细描述了岩石中各类孔隙特性，可以较为准确地计算各类孔隙度，测量结果直接反映了地层的孔隙情况。对饱和岩样测得的T谱，用标准样品进行刻度，将核磁信号强度转换成孔隙度，转换公式如下:

式中:φnmr—样品核磁孔隙度值（百分单位）；M—标准样品T2谱的总幅度；V—标准样品总含水量（水的体积cm）；S、G—分别为标准样品在NMR数据采集时的累积次数和接受增益；Mi—样品第i个T2分量的核磁共振T2谱幅度；V—样品的体积（以cm为单位）；s、g—分别为样品核磁共振数据采集时的累积次数和接受增益。

利用上述方法进行T2谱的刻度后，就可以进行各种孔隙度的计算。在孔隙度的计算中，首先要确定T2谱分布与孔隙度对应的相关参数，然后对T2谱进行面积积分来确定储层的各类孔隙度。这里我们主要对毛管束缚流体孔隙度和可动流体孔隙度进行计算，其确定方法如下:

3 核磁共振测井气层识别

用核磁共振识别天然气主要用密度孔隙度与核磁共振总孔隙度（DPHI—TCMR）重叠法、差谱分析法和移谱分析法。

3.1 重叠法

应用传统的信号处理解释技术，计算密度孔隙度和核磁共振孔隙度，两条曲线重叠后，其间较大的幅度差为气层的标志。该方法比应用中子—密度孔隙度交会识别气层更加明显。这是因为中子测井易受泥质的影响，而TCMR测量的只是岩石孔隙中流体的含氢指数。

3.2 差谱分析法

是利用水和天然气的纵向驰豫时间T1相差较大这一特点来进行流体性质判别，水的纵向驰豫时间T1远小于天然气的纵向驰豫时间，所以水的恢复速率远快于天然气的恢复速率。根据这一特点，利用长、短两种不同等待时间的CPM G脉冲序列进行两次测量，在短等待时间情况下，水得到完全恢复，而天然气只有部分得到恢复；在长等待时间情况下，水和天然气均得到了完全恢复。所以求出长、短等待时间下的两个回波波列的差，即可消除水的信号，突出天然气的信号，从而达到识别天然气的目的。

3.3 移谱分析法

利用静态梯度磁场中流体扩散特性对横向驰豫时间T2的影响来探测天然气的。通常情况下，气的扩散作用比油、水都强。根据不同流体扩散系数不同，在两个CPMG脉冲序列中使用两个不同的回波间隔TEL、TES和一个长TW进行测量，扩散效应使TE的T2谱向减小的方向移动；天然气有最大的扩散系数D，T2分布谱减小的最厉害；水的扩散系数D比天然气小得多，T2谱分布减小的程度也要小得多。对比其T2分布减小的程度，即可进行移谱分析。从而达到识别天然气的目的。

4 核磁共振测井的应用前景

如今随着测井新技术的飞速发展，核磁共振测井信息在天然气的勘探、开发中的应用领域也日益扩大，它不仅可以对各种复杂气储集层进行精确评价，而且也逐步应用于沉积环境、构造形态、古今构造应力等方面的研究，由此推动了储集层横向预测、油气藏描述、储集层改造、优化钻井设计等领域中测井技术应用的广阔前景。

［1］孙逊，赵文杰.核磁共振（NMR）测井的进展［J］.测井与射孔，2007，（1）.

［2］肖立志.核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用［M］.北京:科学出版社，1998.

［3］邱广军.核磁共振成像测井应用［J］.内江科技，2010，（1）:78.

［4］崔秀芝，秦菲莉，袁恩祥，等.应用核磁共振测井资料评价气层［J］.内蒙古石油化工，2005，（12）:115.

［5］杜尚明，胡光灿，李景明，等.天然气资源勘探［M］.北京:石油工业出版社，2004.